5G : La startup MixComm a la solution pour faciliter l’exploitation des ondes millimétriques

En France comme ailleurs, nombreux sont les opérateurs à affirmer que la 5G est en train de trouver son public. Un discours qui ne fait pas l’unanimité. “Jusqu’à présent, il y a eu plus de battage médiatique que de réalité”, fait ainsi savoir Mike Noonen, le directeur général de la startup MixComm spécialisée dans les puces mobiles. “Ce qui a été déployé jusqu’à présent montre que nous ne sommes pas prêts”, argumente le dirigeant, pour qui il existe en effet des preuves que la 5G n’a jusqu’à présent pas tenu ses promesses.

Nombreux sont les observateurs – y compris chez ZDNet – à l’avoir noté : toutes les 5G ne se valent pas. Les tests montrent que la 5G n’a pas encore réalisé, du moins de manière fiable, la promesse d’être “dix fois plus rapide que le WiFi domestique”. Même les analystes de Wall Street ne croient pas encore à la révolution portée par la 5G. “Nous sommes encore au crépuscule de l’ère LTE”, écrivait le mois dernier l’analyste Craig Moffett du cabinet de recherche éponyme MoffettNathanson. 

Pour Mike Noonen, le retard pris par la 5G doit surtout à un problème technologique profond. Sa startup, MixComm, a reçu environ 15 millions de dollars de capital-risque, dont un tour B cette année, pour développer une famille de puces pouvant fonctionner dans des appareils allant des smartphones aux équipements de stations de base. L’objectif est de développer une famille de puces pouvant fonctionner dans des appareils allant des smartphones aux équipements de stations de base. L’idée est que ces puces vont résoudre les problèmes de la technologie dite des ondes millimétriques.

Des ondes millimétriques encore difficilement exploitables

Pour rappel, les ondes millimétriques constituent une partie du spectre électromagnétique. Les “fréquences extrêmement élevées” des ondes millimétriques peuvent transmettre beaucoup plus de bits par seconde que les autres spectres, de quoi intéresser tous les opérateurs. Le déploiement de ces ondes, qui n’est pas encore possible en France, reste toutefois très inégal.

Pour être plus précis, les ondes millimétriques désignent une bande de rayonnement électromagnétique dont la “longueur d’onde”, c’est-à-dire la distance d’un pic à l’autre ou d’un creux à l’autre, mesure un millimètre ou un multiple de millimètre. La GSMA, l’organisme de normalisation de l’industrie cellulaire, spécifie des fréquences d’ondes millimétriques comprises entre 24 gigahertz et 29,5 gigahertz, ainsi qu’un spectre compris entre 37 gigahertz et 43,5 gigahertz.

Une étude réalisée en juillet par le cabinet de recherche Opensignal, révèle ainsi que sur le marché américain – où ces ondes sont exploitées, le temps moyen pendant lequel les utilisateurs ont pu se connecter aux signaux à ondes millimétriques dans divers endroits était toujours inférieur à 1 % de leur temps de connexion total. “Personne n’a réussi à faire en sorte que les ondes millimétriques se comportent bien”, relève Mike Noonen. “Sans cela, il n’y aura jamais l’augmentation de vitesse promise par la 5G”, insiste-t-il.

Vers la bande C et au-delà

Si les opérateurs américains voient aujourd’hui dans un spectre intermédiaire baptisé bande C – qui comprend des longueurs d’onde de plusieurs centimètres et des fréquences de 4 gigahertz à 8 gigahertz – le futur “sauveur de la 5G”, tous ne sont pas d’accords. A l’image de Mike Noonen, pour qui la vraie promesse se trouve plus haut dans le spectre des fréquences, avec la bande millimétrique. “C’est le moyen le moins coûteux de fournir un gigaoctet de données”, fait valoir ce dernier, interrogé par ZDNet.

De fait, chaque fois que l’on augmente la fréquence et que l’on diminue la longueur d’onde du spectre, on augmente la largeur de bande car plus les cycles périodiques d’une onde sont fréquents, plus le nombre de symboles pouvant être encodés par seconde est élevé. Résultat : les ondes millimétriques peuvent théoriquement offrir des vitesses brutes de plusieurs milliards de bits par seconde, contre quelques dizaines ou centaines de millions de bits sur les bandes habituellement exploitées par les opérateurs.

Reste que si l’attrait des ondes millimétriques par rapport aux bandes S et C est évident, le défi que représente son exploitation l’est tout autant. Les ondes millimétriques ne peuvent pas atteindre de très grandes distances, peut-être un kilomètre dans la plupart des cas, car elles sont absorbées par les molécules de l’atmosphère. Elles ne peuvent pas non plus traverser facilement les murs et autres obstructions. Ces lacunes signifient que les ondes millimétriques dépendent de ce que l’on appelle les petites cellules, un rayon autour d’une station de base cellulaire qui est beaucoup, beaucoup plus petit que le site cellulaire typique.

Circuits intégrés radiofréquence frontaux

Cela signifie qu’il faut investir massivement pour installer beaucoup plus de radios dans beaucoup plus d’endroits sur le territoire, ce qui pose des problèmes particuliers dans les zones rurales où la densité de population ne justifie pas toujours un tel investissement en termes de rendement pour les abonnés.  “Il y a trois défis à relever : une faible portée, une puissance insuffisante, et enfin, ce matériel est tout simplement trop cher”, fait valoir Mike Noonen.

C’est là qu’intervient MixComm. Selon son patron, la société a perfectionné la production de ce que l’on appelle les circuits intégrés radiofréquence frontaux, en utilisant une catégorie spéciale de matériau semi-conducteur appelée “silicium sur isolant” ou SOI.

Pour rappel, un circuit intégré RF frontal est la puce qui prend un signal de l’antenne et le traite à l’aide de mélangeurs, de filtres et de convertisseurs numériques-analogiques, puis l’envoie à un circuit intégré de fréquence intermédiaire (FI) distinct, où les fréquences des ondes millimétriques sont converties en fréquences beaucoup plus basses qui peuvent ensuite être décodées par le processeur de bande de base numérique. Le même processus se déroule en sens inverse lorsqu’un dispositif émet, envoyant le signal au circuit intégré RF frontal pour qu’il soit amplifié par l’amplificateur, puis placé sur l’antenne et transmis.

L’ombre de Qualcomm

Le principal problème architectural d’un circuit intégré frontal à ondes millimétriques est que l’antenne doit être très proche du circuit intégré, explique Mike Noonen. “Jusqu’à présent, c’était très difficile à réaliser parce que les circuits intégrés étaient trop chauds, ils faisaient cuire l’antenne”, explique ce dernier. Mais si l’on diminue la puissance du circuit intégré, pour réduire la chaleur, l’ensemble du système serait trop faible pour amplifier le signal à ondes millimétriques et atteindre la tour.

Le leader des puces mobiles, Qualcomm, est bien sûr capable depuis des années d’utiliser les ondes millimétriques dans des puces en silicium standard, dites CMOS. Mike Noonen affirme pourtant que Qualcomm ne peut pas répondre aux besoins en énergie des puces utilisées dans les infrastructures sans fil telles que les stations de base. “Ils aimeraient que les gens utilisent leurs produits pour les infrastructures, mais si tout ce que vous avez est un marteau…”, glisse le patron de MixComm.

Selon ce dernier, ce dont l’infrastructure a besoin, c’est d’un matériau haute fréquence différent du CMOS de Qualcomm. L’industrie de la RF travaille depuis longtemps avec des matériaux alternatifs qui ont une plus grande efficacité énergétique, connus sous le nom de puces à signaux mixtes, comme l’arséniure de gallium et le germanium de silicium. Toutefois, contrairement au CMOS, ces puces ne peuvent pas intégrer les fonctions numériques qui doivent être présentes sur la puce pour traiter les signaux.

La solution repose dans le Silicium sur isolant

La solution pour MixComm repose dans le silicium sur isolant, une large classe de matériaux qui placent une fine pellicule de silicium ordinaire sur un substrat qui n’est pas semi-conducteur, mais qui agit plutôt pour bloquer le courant, un isolant.

La première application de la société, un circuit intégré RF frontal appelé “Summit”, est commercialisée depuis le quatrième trimestre de l’année dernière. Cet été, MixComm a annoncé avoir réalisé l’intégration cruciale de l’antenne et du circuit intégré, en combinant Summit avec les propres modules d’antenne de MixComm.

Ces modules permettent de placer seize antennes dans le même boîtier physique que le circuit intégré Summit. Cette approche est connue sous le nom de “antenna in package”, ou “AiP”. La plupart des fabricants assemblent des cartes de circuits imprimés avec de multiples dissipateurs thermiques pour combiner les circuits intégrés et les antennes ; le paquet de MixComm entasse quatre circuits intégrés et les seize antennes dans une zone incroyablement petite, un carré de quinze millimètres de côté.

Le coût du paquet intégré peut être de 30% à 70% moins cher que ce qui est actuellement sur le marché sous la forme de multiples puces et cartes, affirme le patron de la startup.

Vers une révolution pour les ondes millimétriques ?

Reste que le boîtier nécessite toujours un processeur de bande de base. Qualcomm domine le marché des puces de bande de base et il est hors de question qu’elle s’associe à MixComm, car Qualcomm vise à obtenir son prochain milliard de dollars en vendant ses propres circuits intégrés RF.

Heureusement, MixComm peut compter sur un certain nombre de concurrents de Qualcomm avec lesquels la société cherche à s’associer, notamment les fondeurs Marvell, Mediatek et Samsung. Il existe également une initiative multifournisseur de fournisseurs de puces sans fil tels que Skyworks et Qorvo, ainsi qu’Intel et d’autres, appelée OpenRF, qui vise à contourner la domination de Qualcomm. “Pensez au nombre de stations de base qui vont être déployées ; si vous pouvez économiser un million de dollars par kilomètre, cela s’additionne très vite”, vante Mike Noonen.

“Jusqu’à présent, nous n’avions pas vraiment la puissance nécessaire pour couvrir une zone de manière rentable”, explique-t-il. “Quiconque peut réduire le coût du déploiement est d’un grand secours”, ajoute-t-il. “La réduction des dépenses d’investissement est énorme.”

Outre les économies brutes en termes de dépenses d’investissement, les ondes millimétriques, si elles sont bien utilisées, permettront de réaliser des gains d’efficacité considérables, explique le dirigeant. Et d’expliquer que la largeur de bande plus élevée des fréquences signifie que “nous pouvons utiliser des schémas de modulation plus efficaces, ce qui permet de faire tenir plus de bits dans le même espace”.

Enfin, il existe un autre avantage caché des ondes millimétriques : les économies d’énergie. Malgré des puces plus puissantes, “les ondes millimétriques vont en fait économiser la durée de vie des batteries plutôt que de la consommer, simplement en raison du cycle de service nécessaire pour effectuer le travail.” Le décor est désormais planté pour les ondes millimétriques. Mike Noonen voit un marché non seulement dans les télécoms, mais aussi dans les installations privées. “Notre thèse de base est que cette technologie va s’étendre à d’autres domaines tels que les usines, la défense et l’automobile.”

Source : ZDNet.com